УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛОВОГО ПОЛОЖЕНИЯ ПОДВИЖНОГО ОБЪЕКТА Российский патент 2006 года по МПК G01R33/02 G01P3/42 G01C21/08 

Предлагаемое изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в магнитной навигации для определения угловых положений автоматических подводных, надводных и летательных аппаратов, в нефтепромысловой геофизике для определения углового положения буровой скважины [1-3].

Известно устройство для определения углового положения подвижного объекта [1], состоящее из двухкомпонентного датчика, образованного двумя однокомпонентными магниточувствительными датчиками, оси которых перпендикулярны, немагнитной горизонтальной площадки, на которой расположены эти датчики так, что их оси параллельны площадке, карданова подвеса, на котором расположена упомянутая площадка, объекта в виде полого цилиндра, к корпусу которого закреплен карданов подвес с датчиками, маятника, жестко связанного с горизонтальной площадкой, катушкой индуктивности, жестко связанной с объектом и охватывающей датчики, двух усилительно-преобразовательных блоков, первые входы которых подключены к выходам соответствующих датчиков, двух фильтров нижних частот, входы которых подключены к выходам соответствующих усилительно-преобразовательных блоков через регистрирующие приборы, а выходы подключены к первым входам соответствующих датчиков, двух синхронных детекторов низкой частоты, входы которых подключены к выходам соответствующих усилительно-преобразовательных блоков, двух генераторов переменной ЭДС и генератора низкой частоты. При этом первый выход каждого из генераторов переменной ЭДС подключен к второму входу соответствующего усилительно-преобразовательного блока. Первый выход генератора низкой частоты подключен к вторым входам синхронных детекторов, а два других выхода подключены к выводам катушки индуктивности.

Известное устройство работает следующим образом. С помощью карданова подвеса площадка с двумя датчиками находится в горизонтальном положении. Стабилизация площадки в горизонтальном положении осуществляется с помощью маятника, поэтому оба датчика реагируют только на горизонтальную составляющую магнитного поля. Катушка индуктивности, охватывающая оба датчика, жестко связана с корпусом цилиндрического объекта. Ось катушки индуктивности перпендикулярна осям магниточувствительных датчиков, когда она, а значит, и ось цилиндрического объекта совпадают с вертикалью. В катушке индуктивности, подключенной к генератору низкой частоты, протекает низкочастотный ток, поэтому упомянутая катушка воспроизводит низкочастотное магнитное поле, на которое магниточувствительные датчики не реагируют, то есть переменное магнитное поле на них не действует, когда ось катушки совпадает с вертикалью. Если ось катушки индуктивности (ось цилиндрического объекта) отклонена от вертикали, то на датчики действует не только горизонтальная составляющая геомагнитного поля, но и переменное магнитное поле, воспроизводимое катушкой индуктивности. На вторые входы датчиков подаются с первых выходов соответствующих генераторов переменные ЭДС. В результате этого на выходе каждого из датчиков появляются ЭДС второй гармоники, каждая из которых пропорциональна горизонтальной составляющей геомагнитного поля и горизонтальной составляющей переменного магнитного поля, воспроизводимого катушкой индуктивности, когда ось цилиндрического объекта отклонена от вертикали. Выходные сигналы с датчиков усиливаются и детектируются в соответствующих усилительно-преобразовательных блоках, поэтому выходные сигналы с усилительно-преобразовательных блоков пропорциональны измеряемым компонентам магнитной индукции. Для детектирования сигналов на вторые входы каждого усилительно-преобразовательного блока подается переменное напряжение с вторых выходов соответствующих генераторов переменной ЭДС. При этом каждый усилительно-преобразовательный блок состоит из избирательного усилителя и синхронного детектора [1]. Выходной сигнал с выхода каждого усилительно-преобразовательного блока подается через регистрирующий прибор (микроамперметр) и фильтр нижних частот на первый вход соответствующего датчика, обеспечивая тем самым отрицательную обратную связь по измеряемой горизонтальной составляющей геомагнитного поля. Фильтры нижних частот препятствуют прохождению сигналов, пропорциональных переменному магнитному полю, воспроизводимому катушкой индуктивности, на первые входы соответствующих датчиков. Поэтому токи в цепях обратной связи пропорциональны горизонтальным составляющим геомагнитного поля. Сигналы с выходов усилительно-преобразовательных блоков подаются на первые входы соответствующих синхронных детекторов. На вторые входы этих детекторов подается переменное напряжение с генератора низкой частоты, поэтому сигналы на выходе каждого синхронного детектора пропорциональны амплитуде горизонтальной составляющей переменного магнитного поля. По измеренным составляющим переменного и постоянного магнитного поля определяют азимутальный и зенитный углы цилиндрического объекта.

Известное техническое решение не обеспечивает определение визирного угла, а значит, информация об угловом положении цилиндрического объекта будет неполной. Кроме того, в известном техническом решении определяемые азимутальный и зенитный углы существенно зависят от переносных ускорений, обусловленных неравномерностью скорости поступательного движения и изменением направления движения объекта.

Известно устройство для определения углового положения подвижного объекта (корпуса измерительного скважинного зонда) [2], которое по совокупности существенных признаков наиболее близко предлагаемому и принято за прототип. Известное устройство [2] состоит из корпуса измерительного скважинного зонда, продольная ось которого совпадает с направлением буровой скважины, трехкомпонентного магнитометра, у которого оси магниточувствительного датчика взаимно ортогональны, трехкомпонентного акселерометра, оси чувствительности которого коллинеарны осям магниточувствительного датчика магнитометра и осям строительной системы координат OXYZ корпуса измерительного скважинного зонда с началом координат в точке O, интерфейсного блока (регистрирующего блока), подключенного к выходам трехкомпонентного магнитометра и трехкомпонентного акселерометра, и электронно-вычислительной машины (вычислительного устройства), подключенной к регистрирующему блоку. При этом одна из осей OZ строительной системы координат OXYZ совпадает с продольной осью корпуса скважинного зонда, а значит, и с направлением скважины, вторая ось ОХ перпендикулярна оси OZ и третья ось ОУ перпендикулярна осям ОХ и OZ. Взаимное расположение положительных направлений координатных осей ОХ, ОУ, OZ соответствуют правой системе координат.

Известное устройство [2] работает следующим образом. По сигналам с трехкомпонентного магнитометра, пропорциональным проекциям вектора индукции геомагнитного поля, и сигналам с трехкомпонентного акселерометра, пропорциональным проекциям вектора ускорения силы тяжести на оси чувствительности упомянутого акселерометра, с помощью регистрирующего блока и вычислительного устройства определяют расчетным путем азимутальный, визирный и зенитный углы корпуса скважинного зонда, а значит, определяют и угловое положение буровой скважины, в которой находится корпус скважинного зонда.

Неравномерность движения корпуса скважинного зонда и случайные отклонения при движении корпуса этого зонда от выбранного направления (рыскания зонда) приводят к появлению на выходах трехкомпонентного акселерометра сигналов, пропорциональных не только проекциям вектора ускорения силы тяжести, но и проекциям векторов ускорений, обусловленных неравномерностью скорости поступательного движения и изменением направления движения корпуса скважинного зонда, что является одной из существенных причин погрешности определения углового положения корпуса скважинного зонда (объекта), а значит, и буровой скважины. Известные технические решения как [2], так и [1] не обеспечивают определение угла курса объекта на магнитных полюсах Земли, а следовательно, информация об угловом положении подвижного объекта на магнитных полюсах Земли и в их окрестностях будет неполной.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка устройства, исключающего влияние ускорений объекта, обусловленных неравномерностью скорости поступательного движения и изменением направления движения объекта, на погрешность определения углового положения подвижного объекта, а также обеспечивающего возможность определения географического и магнитного курсов объекта, а следовательно, и возможность определения углового положения подвижного объекта как на магнитных, так и на географических полюсах Земли. Поставленная задача решается за счет применения на подвижном объекте трехкомпонентного магнитометра, инерциального устройства с катушкой индуктивности и двух трехкомпонентных акселерометров, размещенных на подвижном объекте определенным образом.

Предлагаемое устройство для определения углового положения подвижного объекта, включающее трехкомпонентный магнитометр, трехкомпонентный акселерометр, у которого оси чувствительности коллинеарны строительным осям системы координат OXYZ подвижного объекта с началом координат в точке O и осям магниточувствительного датчика трехкомпонентного магнитометра, регистрирующий блок, подключенный к выходам трехкомпонентного магнитометра и трехкомпонентного акселерометра, и вычислительное устройство, подключенное к регистрирующему блоку, снабжено инерциальным устройством, катушкой индуктивности, размещенной на инерциальном устройстве так, что ось катушки ориентирована по вертикали, и вторым трехкомпонентным акселерометром, у которого оси чувствительности коллинеарны строительным осям системы координат OXYZ подвижного объекта, первый и второй трехкомпонентные акселерометры размещены на продольной строительной оси системы координат OXYZ подвижного объекта симметрично относительно начала координат точки O, выбранной в месте центра тяжести подвижного объекта, при этом второй акселерометр подключен к регистрирующему блоку, а катушка индуктивности подключена к магнитометру. Кроме того, выход вычислительного устройства может быть подключен к регистрирующему блоку.

Применение в предлагаемом устройстве для определения углового положения подвижного объекта трехкомпонентного магнитометра, трехкомпонентного акселерометра, у которого оси чувствительности коллинеарны строительным осям системы координат OXYZ подвижного объекта с началом координат в точке O и осям магниточувствительного датчика трехкомпонентного магнитометра, регистрирующего блока и вычислительного устройства, в совокупности с инерциальным устройством, катушкой индуктивности и вторым трехкомпонентным акселерометром, размещенных и включенных между собой соответствующим образом, обеспечивает исключение влияния ускорений объекта, обусловленных неравномерностью скорости поступательного движения и изменением направления движения объекта, на погрешность определения углового положения подвижного объекта, а также обеспечивает возможность определения географического и магнитного курсов объекта, а следовательно, и возможность определения углового положения подвижного объекта как на магнитных, так и на географических полюсах Земли.

Таким образом, технический результат предлагаемого изобретения выражается в исключении влияния ускорений объекта, обусловленных неравномерностью скорости поступательного движения и изменением направления движения объекта, в частности, рыскания на погрешность определения углового положения объекта и возможности определения его географического и магнитного курсов, а следовательно, и возможности определения углового положения подвижного объекта на географических и магнитных полюсах Земли.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется следующими графическими материалами.

На чертеже изображена структурная схема устройства для определения углового положения подвижного объекта.

Предлагаемое устройство для определения углового положения подвижного объекта состоит из трехкомпонентного магнитометра 1, включающего магниточувствительный датчик 2, двух трехкомпонентных акселерометров 3 и 4, регистрирующего блока 5, подключенного к выходам магнитометра 1 и акселерометров 3 и 4, вычислительного устройства 6, подключенного к блоку 5, инерциального устройства 7, катушки индуктивности 8 и подвижного объекта 9. Катушка индуктивности 8 подключена к магнитометру 1. Катушка 8 размещена на инерциальном устройстве 7 так, что ось катушки 8 ориентирована по вертикали. При этом оси чувствительности акселерометров 3, 4 коллинеарны строительным осям системы координат OXYZ подвижного объекта 9 и осям датчика 2. Акселерометры 3 и 4 размещены на продольной строительной оси ОХ подвижного объекта 9 симметрично относительно начала координат точки O, выбранной в месте центра тяжести подвижного объекта 9.

Предлагаемое устройство для определения углового положения подвижного объекта работает следующим образом. Магнитометр 1 (см. чертеж) измеряет проекции вектора магнитной индукции на оси датчика 2 [3]. В катушке 8, подключенной к магнитометру 1, протекает переменный ток. Следовательно, катушка 8, ось которой ориентирована инерциальным устройством 7 по вертикали, воспроизводит переменное магнитное поле. Магнитометр 1 измеряет проекции вектора магнитной индукции на оси датчика 2, пропорциональные индукции геомагнитного поля, магнитной индукции от намагниченности объекта 9 и магнитной индукции, воспроизводимой катушкой 8. При этом магнитометр 1, как и магнитометр в работе [1], выделяет сигналы, пропорциональные проекциям вектора магнитной индукции, воспроизводимой катушкой 8 и сигналы, пропорциональные проекциям результирующего вектора индукции геомагнитного поля и магнитного поля от намагниченности объекта 9. Проекции вектора магнитной индукции В_хкi, В_укi, В_zкi, созданные катушкой 8 с известным дипольным магнитным моментом М, ориентированным по вертикали с помощью инерциального устройства 7, можно представить в следующем виде:

где μ₀=4π·10^-7 Г/м - магнитная постоянная; n_1i, n_2i, n_3i - направляющие косинусы оси OZ в геомагнитной системе координат, которые являются функциями углов крена θ_i и тангажа ψ_i объекта 9; i=1, 2, 3,... - моменты времени регистрации сигналов с выходов магнитометра 1 и акселерометров 3 и 4; х, y, z - координаты датчика 2 в системе координат, коллинеарной строительной системе координат OXYZ, с началом координат, совпадающим с геометрическим центром катушки 8; В системе координат подвижного объекта 9 координаты x, y, z имеют постоянные значения.

Проекции вектора магнитной индукции, обусловленные индукцией геомагнитного поля и магнитного поля намагниченного объекта 9, которые обозначим через В_xi, В_yi, В_zi, можно представить в виде следующих уравнений [4]:

где a, b, c, d, e, f, q, h, k - параметры Пуассона, характеризующие индуктивную намагниченность объекта 9 в месте размещения датчика 2;

F_1i=l_1iB_хтi+m_1iB_утi+n_1iB_zтi;

F_2i=l_2iB_хтi+m_2iB_утi+n_2iB_zтi;

F_3i=l_3iB_хтi+m_3iB_утi+n_3iB_zтi;

(l_1i, m_1i, n_1i), (l_2i, m_2i, n_2i), (l_3i, m_3i, n_3i) - направляющие косинусы осей системы координат OXYZ в опорной геомагнитной системе координат, являющиеся функциями углов магнитного курса ϕ_iм, крена θ_i, тангажа ψ_i; В_хтi, В_утi, В_zтi - проекции вектора индукции геомагнитного поля для i-го момента времени на оси геомагнитной системы координат; В_хтi - проекция индукции геомагнитного поля на горизонтальную ось геомагнитной системы координат, касательную к магнитному меридиану и направленную в сторону севера; В - проекция вектора индукции геомагнитного поля на горизонтальную ось геомагнитной системы координат, перпендикулярную плоскости магнитного меридиана и направленную в сторону востока, при этом В_утi=0; В_zтi - проекция вектора индукции геомагнитного поля на вертикальную ось геомагнитной системы координат, направленную по вертикали вниз; В_xp, В_yp, В_zp - проекции вектора магнитной индукции от постоянной намагниченности объекта 9 в месте размещения датчика 2.

В системе уравнений (4)-(6) неизвестными параметрами являются F_1i, F_2i, F_3i. Параметры Пуассона и В_xp, В_ур, В_zp известны. Эти параметры определяют предварительно, например, из [5].

Из системы уравнений (1)-(3) по измеренным В_хкi, В_укi, В_zкi, известным x, y, z и М определяют n_1i, n_2i, n_3i, по которым находят углы крена и тангажа объекта 9. Подставляют значения углов крена и тангажа в уравнения (4)-(6), а затем по измеренным В_xi, В_yi, B_zi, известным параметрам Пуассона и В_xp, В_yp, В_zp определяют В_хтi, В_zтi и магнитный курс объекта 9.

Сигналы с выходов каждого из акселерометров 3 и 4 (фиг.1) пропорциональны, например, проекциям векторов переносных ускорений, обусловленных неравномерностью скорости поступательного движения и изменением направления движения объекта, и проекциям вектора ускорения силы тяжести. Акселерометры 3 и 4 размещены на продольной строительной оси ОХ объекта 9 симметрично относительно центра тяжести объекта 9, поэтому в местах размещения акселерометров 3 и 4 векторы ускорений от вращения, в частности от рыскания объекта 9, равны по величине и противоположны по направлению, а векторы ускорений, обусловленные неравномерностью скорости поступательного движения объекта 9, и ускорений силы тяжести равны. Такое размещение на объекте 9 акселерометров 3 и 4 обеспечивает возможность определения средних значений центростремительного a_хцi и тангенциальных a_yτi, a_zτi ускорений объекта за малый интервал времени, в течение которого упомянутые ускорения можно принять постоянными [6], из следующих выражений:

a_чцi=(a_x1i-a_x2i)/2;

a_yτi=(a_y1i-a_y2i)/2;

a_zτi=(a_z1i-a_z2i)/2;

где a_x1i, a_yi1, a_z1i и a_x2i, a_y2i, a_z2i - векторы ускорений, измеренных соответствующими акселерометрами 3 и 4 за 1-й интервал времени.

Проекция вектора ускорения a_хцi пропорциональна изменению угла отклонения продольной строительной оси ОХ объекта 9 (фиг.1) за i-й интервал времени относительно предыдущей ее ориентации. В таком случае, по известным расстояниям акселерометров 3 и 4 до центра тяжести объекта, ускорению a_хцi, определяют отклонение продольной оси ОХ объекта 9 за i-й интервал времени от известного предыдущего направления, а затем по углу тангажа, ускорению a_yτi и предыдущему угловому положению объекта 9 определяют последующее значение географического курса упомянутого подвижного объекта. Кроме того, определив из (4)-(6) магнитный курс, можно также выбрать действительное значение географического курса при наличии даже приближенных сведений о магнитном склонении. Если инерциальным устройством 7 является, например, инерциальная гировертикаль, то сигналы с выхода устройства 6, пропорциональные географическому курсу объекта, поступают на устройство 7 для ориентации одной из горизонтальных осей гировертикали по географическому меридиану [6]. При этом геометрический центр катушки 8 размещают в центре карданова подвеса устройства 7, обеспечивая тем самым постоянство x, y, z при любых угловых положениях объекта 9.

Таким образом, применение в предлагаемом техническом решении инерциального устройства 7 (фиг.1), в частности гировертикали или инерциальной гировертикали, у которой при установке в начальный момент времени оси гироскопа по вертикали места, в дальнейшем, при любых ускорениях объекта, она будет следовать за вертикалью места [6], акселерометров 3, 4 и катушки индуктивности 8, исключает влияние ускорений объекта, обусловленных неравномерностью скорости поступательного движения и изменением направления движения объекта на погрешность определения углов крена и тангажа, а значит, географического и магнитного курсов объекта 9. Предлагаемое устройство обеспечивает определение углов крена, тангажа и магнитного курса объекта, а следовательно, обеспечивает определение углового положения подвижного объекта на географических полюсах Земли. Кроме того, предлагаемое устройство обеспечивает определение углов крена, тангажа и географического курса объекта, а следовательно, обеспечивает определение углового положения подвижного объекта на магнитных полюсах Земли. Следует заметить, что применение в предлагаемом устройстве трехкомпонентных, а не однокомпонентных акселерометров 3 и 4 обеспечивает возможность приведение осей чувствительности акселерометров 3 и 4 и осей датчика 2 к одному ортогональному базису [8], что повышает точность определения углового положения подвижного объекта 9.

В предлагаемом устройстве магнитометр 1 (фиг.1), включающий магниточувствительный датчик 2, может быть выполнен, как и в устройстве для измерения параметров магнитного поля [1, 3]. В качестве регистрирующего блока 5 и вычислительного устройства 6 можно использовать преобразователь измерительный многоканальный ПИМ-1 (сертификат №15660, Госстандарт России). Трехкомпонентные акселерометры 3 и 4 могут быть выполнены на базе однокомпонентных акселерометров [7]. Инерциальным устройством 7 может быть инерциальная гировертикаль [6], а катушка индуктивности 8 может быть выполнена, как и в [9].

Литература

1. Афанасьев Ю.В. Феррозонды. Л.: Энергия. 1969. 168 с.

2. Алимбеков Р.И., Зайко А.И. Аппаратно-программный комплекс для измерения пространственных углов. // Измерительная техника. 2004. №12. С.27-29.

3. Афанасьев Ю.В. Феррозондовые приборы. Л.: Энергоатомиздат. 1986. 188 с.

4. Кожухов В.П., Воронов В.В., Григорьев В.В. Магнитные компасы. М.: Транспорт. 1981. 216 с.

5. Смирнов Б.М. Определение индукции геомагнитного поля на фоне магнитных помех подвижного объекта. // Измерительная техника. 2003. №11. С.52-58.

6. Одинова И.В., Блюмин Г.Д., Карпухин А.В. и др. Теория и конструкция гироскопических приборов и систем. М.: Высшая школа. 1971. 508 с.

7. Мельников В.Е. Электромеханические преобразователи на основе кварцевого стекла. М.: Машиностроение. 1984. 159 с.

8. Смирнов Б.М. Привязка осей трехкомпонентного магнитометрического датчика к осям навигационной системы ферромагнитного подвижного объекта. // Измерительная техника. 2004. №7. С.27-31.

9. Чернышев Е.Т., Чечурина Е.Н., Чернышева Н.Г., Студенцов Н.В, Магнитные измерения. М.: Изд-во Комитета Стандартов, мер и измерительных приборов при Совете Министров СССР. 1969. 248 с.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в магнитной навигации для определения угловых положений автоматических подводных, надводных и летательных аппаратов, в нефтепромысловой геофизике для определения углового положения буровой скважины. Устройство для определения углового положения подвижного объекта, состоящее из трехкомпонентного магнитометра, включающего магниточувствительный датчик, двух трехкомпонентных акселерометров, регистрирующего блока, вычислительного устройства, инерциального устройства и катушки индуктивности, размещенных на подвижном объекте и включенных между собой соответствующим образом, обеспечивает исключение влияния ускорений объекта, обусловленного неравномерностью скорости поступательного движения и изменением направления движения объекта, на погрешность определения углового положения упомянутого объекта, что повышает точность определения углового положения подвижного объекта. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для определения углового положения подвижного объекта, включающее трехкомпонентный магнитометр, трехкомпонентный акселерометр, у которого оси чувствительности коллинеарны строительным осям системы координат OXYZ подвижного объекта с началом координат в точке О и осям магниточувствительного датчика трехкомпонентного магнитометра, регистрирующий блок, подключенный к выходам трехкомпонентного магнитометра и трехкомпонентного акселерометра, и вычислительное устройство, подключенное к регистрирующему блоку, отличающееся тем, что оно снабжено инерциальным устройством, катушкой индуктивности, размещенной на инерциальном устройстве так, что ось катушки ориентирована по вертикали, и вторым трехкомпонентным акселерометром, у которого оси чувствительности коллинеарны строительным осям системы координат OXYZ подвижного объекта, первый и второй трехкомпонентные акселерометры размещены на продольной строительной оси системы координат OXYZ подвижного объекта симметрично относительно начала координат точки О, выбранной в месте центра тяжести подвижного объекта, при этом второй акселерометр подключен к регистрирующему блоку, а катушка индуктивности подключена к магнитометру.2. Устройство для определения углового положения подвижного объекта по п.1, отличающееся тем, что выход вычислительного устройства подключен к инерциальному устройству.